基于腎缺氧-氧化應激機制防治慢性腎臟病的研究概況

徐亦曾 王 琛

慢性腎臟病(chronic kidney disease，CKD)是由各種因素引起的腎臟結構和(或)功能長期(3個月以上)異常的一種全球性慢性疾病[1]。CKD起病隱匿，且多數患者長期無明顯癥狀，給疾病的早期診斷及治療帶來困難。腎組織缺氧作為腎纖維化形成的重要因素，對CKD的發生、發展起到重要作用[2]。因此，通過監測腎組織氧合水平，及早發現并評估腎臟病的情況，采取個體化的針對性治療，對于CKD的防治及預后至關重要。

一、腎缺氧-氧化應激機制

1.腎臟的血氧分布特點：腎臟血流量約占心排出量的20%～25%，但由于伴行腎動、靜脈間的血流分布關系及相應的氧氣分流擴散影響，導致腎組織中的氧分壓相對較低。而99%的腎小球濾過液在腎小管被重吸收, 重吸收又是一耗能過程，因此腎臟的耗氧量大，易發生缺氧。

腎臟的氧合過程由腎血流灌注量及其攜氧能力決定的氧供給和腎小管重吸收作用為主的氧消耗兩個方面構成[3]。在CKD中，多種病理因素均可引起腎臟氧供需關系的失衡，導致腎臟缺氧，包括腎纖維化及血管活性物質失衡導致管周毛細血管血流減少(血氧分流擴散減少)；腎小管細胞代謝需求增加；氧化應激引起線粒體呼吸功能障礙；貧血導致攜氧量減少等[4]。

2.CKD中的腎缺氧及氧化應激：腎臟缺氧與CKD的發生、發展密切相關。國內外研究者已在腎實質性、腎血管性和慢性梗阻性腎病等多種慢性腎病模型中證實，CKD時腎臟存在較為嚴重的缺氧[5]。機體針對缺氧存在一種防御機制——缺氧誘導因子(hypoxia-inducible factor，HIF)途徑。在正常氧濃度條件下，HIF-α在多種脯氨酰羥化酶(prolyl hydroxylase domains，PHDs)作用下發生羥化反應后被降解[5,6]。此外，HIF抑制因子(factor inhibiting HIF，FIH)——天冬酰胺羥化酶，亦可通過羥化天冬酰胺酸而抑制HIF的轉錄活性。在低氧條件下，PHDs的活性受抑制，HIF-α 因未被羥化而穩定表達，激活下游靶基因轉錄，促進葡萄糖轉運蛋白1(glucose transporter 1，GLUT1)、促紅細胞生成素(erythropoietin，EPO)和血管內皮生長因子的產生，從而通過增加葡萄糖攝取、促進紅細胞生成和血管重塑來對抗缺氧。同時，HIF的激活還可以抑制活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產生和增強解毒作用來減少氧化應激[7]。另一方面，HIF激活還會促進腎纖維化形成，加重CKD。表現為HIF活化刺激炎性細胞增殖浸潤，形成纖維化瘢痕[8]；HIF與促纖維化相關下游靶基因的低氧反應元件結合，直接激活靶基因轉錄，使腎間質膠原產生增多，細胞外基質(extracellularmatrix，ECM)降解減少并逐漸取代正常腎單元結構，導致腎臟纖維化[8,9]；也可以通過調控上皮-間質細胞轉化調節因子的表達，促使腎小管上皮-間質細胞轉化發生。同時HIF還與其他促纖維化信號通路存在交互作用，進一步調控腎纖維化的進展[9]。

氧化應激是機體氧化-抗氧化系統失衡的一種病理狀態[10]。多種病理因素均可引起腎臟氧化應激反應，包括組織缺氧、炎癥、長期高血糖狀態等。腎缺氧與氧化應激在CKD中廣泛存在、聯系緊密，影響疾病的轉歸及預后。腎組織缺氧時，細胞內線粒體產生大量ROS，加重氧化應激損傷。而腎臟氧化應激增強使腎臟耗氧量增加，并抑制線粒體功能，進一步加重腎缺氧。

3.腎組織氧合水平的監測——血氧水平依賴磁共振成像技術(blood oxygen level dependent magnetic resonance imaging，BOLD-MRI)的運用:超聲造影技術可以監測血流流速及血管體積分數的變化，動態反映腎臟血運情況，為缺血性腎病的早期評估提供依據。由于CKD的進展是腎臟缺血、缺氧共同作用下的結果，可能在腎臟血流灌注量降低前，已存在較為嚴重的缺氧。因而監測腎組織氧合水平，有利于早期評估腎功能的衰減程度。BOLD-MRI技術的運用為早期、無創、實時評估腎組織氧合水平提供了可能。腎臟缺氧時，脫氧血紅蛋白含量升高，BOLD-MRI利用脫氧血紅蛋白所致微觀磁場變化反映組織內部氧含量[11]。相關研究已證實BOLD-MRI在評估CKD腎組織氧合水平的可行性，為缺氧性腎損傷的診療帶來廣闊前景[12]。

二、腎缺氧-氧化應激機制在不同病理條件下促進CKD進展

腎缺氧-氧化應激機制在多種腎臟疾病的發生、發展過程中占有重要地位[13]。感染、糖尿病、高血壓等病理因素均會誘發腎臟缺氧、加劇氧化應激。探究腎缺氧-氧化應激機制在不同病理條件下的作用途徑，有助于明確CKD相關危險因素對腎缺氧及氧化應激損傷的影響，指導CKD的治療方向及藥物選擇。

1.炎性狀態與氧化應激的關系：正如缺氧會引起炎性反應，機體炎性狀態通常會加重缺氧，二者常并存且相互作用。缺氧導致血管通透性增加、炎性介質產生增多，從而加重炎性反應。而炎性組織又常因為細胞代謝需求增加和底物不足的共同影響，反過來加重缺氧，表現為炎性因子激活中性粒細胞內煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(NADPH oxidase，NOX)，而NOX是腎臟中活性氧(reactive oxygen species，ROS)的主要來源[14，15]。ROS作為氧化應激的重要產物，對殺滅微生物和自身免疫至關重要，但過多的ROS會引起組織損傷和炎性因子的釋放，從而加劇炎性反應及腎纖維化形成，最終導致CKD的進展[16，17]。

2.高血糖狀態下的氧化應激:糖尿病時鈉-葡萄糖協同轉運增多，導致近端腎小管重吸收增加，引起腎臟高灌注、高濾過狀態，增加了能量消耗。而ATP的生成需要消耗氧氣，故糖尿病時腎臟耗氧量增加，更易發生缺氧。

細胞長期高血糖環境下，可通過葡萄糖氧化磷酸化、多元醇通路、晚期糖基化終末產物生成等多種途徑，誘導細胞發生代謝紊亂，引起腎臟內ROS過度生成，對腎小球內皮細胞、足細胞以及腎小管上皮細胞造成損傷，導致CKD的進展。因此在糖尿病腎病的發生、發展過程中，高血糖與氧化應激緊密聯系，并與腎小球、腎小管的損傷密切相關[18]。高血糖狀態時NOX的主要亞基NOX 4在系膜細胞胞質中分離，誘導氧化應激的發生，并促進系膜細胞肥大和纖維連接蛋白的表達，加劇腎纖維化的形成。Sedeek等[19]動物實驗已證實，高血糖可誘發小鼠近端小管上皮細胞NOX 4和纖維連接蛋白的過度表達，促進ROS生成及腎纖維化的進展。

3.高血壓——腎素-血管緊張素系統(RAS)與腎臟缺氧：高血壓時血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)增多，NOX活化，誘導氧化應激，直接損害內皮細胞，導致腎小管周圍毛細血管減少，細胞呼吸效率降低，加重腎臟缺氧。RAS的激活可引起血管活性物質的失衡，小動脈收縮，導致毛細血管血流灌注不足，加重腎小管間質缺氧。Emans等[20]研究證實高血壓大鼠在注射AngⅡ 阻滯劑后，腎皮質氧分壓明顯降低，具體藥理機制由AngⅡ 1型受體介導的腎皮質氧合調節相關，從而逆向驗證了AngⅡ 具有獨立于升壓作用之外的促進腎皮質缺氧的作用。

三、缺氧性腎損傷的藥物選擇

RAS活化、氧化應激、炎性細胞浸潤和糖尿病腎損害等病理狀態之間相互作用，并與缺氧性腎損傷的形成過程密切相關。運用藥物改善腎臟缺氧、調控腎臟氧化應激，對保護腎功能、延緩CKD的進展具有重要意義。

1.RAS抑制劑：高血壓與CKD的發生、發展密切相關。諸多降壓藥物均可通過控制血壓來延緩CKD的進展。而RAS抑制劑，即血管緊張素Ⅱ 1型受體阻滯劑(ARB)和血管緊張素轉化酶抑制劑，存在獨立于降壓效果以外的腎臟保護作用。阻斷Ang Ⅱ 可以改善腎臟的血流灌注，而且ARB具有區別于其他降壓藥物的降低腎臟氧化應激的特性。通過清除羥自由基并減少血紅素氧合酶1(heme oxygenase-1，HO-1)和NOX的表達來糾正缺氧及氧化應激，并抑制晚期糖基化終末產物(advanced glycation end products，AGE)形成，防止間質中異常鐵沉積和減少炎性細胞浸潤，產生額外的腎臟保護作用。Belambri等[17]對5/6腎切除術造模的36只大鼠進行實驗，用奧美沙坦治療其中16只(余20只未用藥)，治療前后分別利用缺氧探針監測其腎皮質缺氧情況，并于療程結束進行病理活檢，證實了ARB類藥物具有改善腎皮質氧合水平的腎臟保護作用。。

2.腎性貧血的治療藥物：(1)促紅細胞生成劑(erythropoiesis-stimulating agents，ESA):腎性貧血是CKD患者腎組織缺氧的一個重要因素，目前臨床上以ESA作為CKD患者貧血治療的常規藥物。ESA可以增加HO-1和其他抗氧化酶的含量發揮直接抗氧化作用，降低氧化應激，改善CKD患者的預后。此外，促紅細胞生成素(erythropoietin，EPO)還可以誘導體內鐵的消耗而發揮間接抗氧化作用，減少鐵依賴性氧化損傷，并通過增加攜帶大量抗氧化酶的年輕血細胞數，提高循環抗氧化劑的含量[21]。ESA的廣泛運用也存在一些爭議，相關報道表明，長期外源性EPO的使用會增加血栓栓塞及心血管事件的風險。(2)HIF穩定劑：HIF活化刺激EPO、HO-1和SOD-1等其他下游基因的表達，可以抑制ROS的產生并增強解毒作用，從而糾正腎性貧血、減少氧化應激。既往研究中，Nordquist等[22]用慢性氯化鈷(HIF的傳統化學穩定劑)治療糖尿病伴腎缺氧大鼠，證明HIF穩定劑在降低腎臟氧化應激的重要作用。但是因為氯化鈷的肝毒性，無法應用于臨床。

由于HIF受PHD的調節，氧含量正常情況下PHD的羥化作用可促進HIF-α降解，而在缺氧條件下PHD的羥化活性被抑制，導致HIF積累以對抗缺氧[7]。近年來已研究出可供臨床應用的HIF穩定劑，其中PHD抑制劑已被開發出5種新型口服劑型(roxadustat、daprodustat、molidustat、vadadustat、enarodustat)，而roxadustat(FG-4592)已投入臨床，多項臨床及實驗室研究均證實，roxadustat在不使用靜脈鐵劑和ESA情況下仍具有獨立的抗氧化、改善貧血的作用[23，24]。但HIF激活會刺激除EPO以外的多種下游基因，這意味著PHD抑制劑可能具有不可預測的全身作用。故尚需進一步研究及臨床觀察，才能在臨床上更好地替代ESA，作為腎性貧血的新療法。

3.糖尿病治療相關藥物：相關研究表明，多種糖尿病治療藥物存在腎臟保護作用，可以減弱糖尿病腎病(diabetic kidney disease，DKD)中的氧化應激。這些藥物包括二肽基肽酶-4(dipeptidyl peptidase-4，DPP-4)抑制劑、胰高血糖素樣肽1受體激動劑(glucagon-like peptide 1 receptor agonist，GLP-1RAs)和鈉-葡萄糖共轉運蛋白2(sodium-glucose cotransporter-2，SGLT- 2)抑制劑。Matsui等[25]研究表明，通過阻斷AGE受體軸誘導的氧化應激，可改善DPP-4缺乏癥糖尿病大鼠的腎臟損傷。而Kamel等[26]的動物試驗也證實，沙格列汀(DPP-4抑制劑)可以通過抗炎、抗氧化、促進血管新生等途徑，改善腎臟缺氧造成的一系列腎損害。Li等[27]的動物試驗發現，利拉魯肽(GLP-1類似物)具有不依賴其降糖作用的腎臟保護作用，可以通過減少ECM的分泌和沉積來改善缺氧性腎損傷。此外，有研究表明GLP-1激動劑可以抑制超氧化物陰離子來改善缺氧性腎損傷。而相關實驗的質譜分析證實，SGLT-2抑制劑可以改善DKD小鼠腎皮質中氧化型谷胱甘肽的水平從而抑制DKD中的氧化應激。臨床用藥卡格列凈(SGLT-2抑制劑)的隨機臨床試驗也證明其在降低血糖及控制DKD相關危險因素中均有積極作用。

四、展 望

綜上所述，腎缺氧及氧化應激貫穿于CKD的病變過程始終，決定疾病的轉歸及預后。不同病理條件均可引起腎組織缺氧，加重氧化應激，導致內環境穩態的失衡，最終走向ESRD。探究腎缺氧-氧化應激機制與CKD的相關性，了解不同抗氧化藥物的作用途徑，有助于針對性防治缺氧性腎損傷。研究表明多種具有腎臟保護作用的藥物是通過改善腎臟缺氧、抑制氧化應激而實現的。因而越來越多干預氧化應激機制的新藥正研發或投入臨床試驗。但CKD中存在多種病理因素交織錯雜的微環境狀態，也影響著全身多個系統的生理功能。因此，新興藥物在發揮抗氧化作用的同時，要兼顧疾病發展過程中的其他病理因素影響，并注意藥物安全，預防藥源性并發癥的發生。目前，改善CKD腎臟缺氧和干預氧化應激的治療藥物仍在持續探究。隨著后續研究對藥物作用途徑及安全性的探索，將在未來為CKD的防治提供新的思路。